Фасонные отливки — изделия (или полуфабрикаты), получаемые отливкою жидкого материала в литейную форму. Металлы, сплавы их, воск и сера требуют для приведения их в жидкое состояние воздействия на них теплоты, гипс же, цемент и иные минеральные порошки просто замешиваются с водою в жидкий раствор. Отливочный процесс есть простейший из формоизменяющих процессов, применяемых в технике, так как не требует применения сложных и дорогостоящих механизмов вроде молотов, прессов, прокатных станов, машин-орудий и т. п. и большого расхода механической силы на приведение их в движение. Вместо того, чтобы сообщать форму непосредственно твердому материалу, она сообщается рыхлому материалу, легко поддающемуся формоизменениям (например глине, песку или их смеси, мягким породам камней, папье-маше и т. д.), при чем сберегается вся та механическая работа, которая расходуется на ковку, прессование, прокатку, снятие стружек и т. п. Молот, прокатный стан, пресс и т. д. могут сообщать перерабатываемому в них материалу лишь простейшие формы, между тем как путем отливки можно воспроизводить изделия сложнейших форм, притом вполне правильных очертаний и вполне точных размеров. Наконец, при оформлении материалов услугами различных механизмов размеры изделий весьма ограничены трудностью постройки и дороговизною крупных механизмов, тогда как по отношению к размерам отливок не существует, можно сказать, никаких ограничений. Эти большие преимущества отливочного процесса увеличились в еще большей степени с открытием способов плавить и отливать мягкую сталь и железо. Оставляя в стороне второстепенные литейные материалы — воск, гипс, серу, цемент, глину и т. п. — применение которых сравнительно весьма ограниченно, и не повторяя описания производства отливок из чугуна и сплавов красной меди, сделанного в статье Литейное дело, коснемся здесь лишь Ф. отливок из мягкой стали и железа. Главнейшее препятствие, долго не дозволявшее применить к малоуглеродистым сортам железа переплавочный процесс, заключалось в весьма высокой температуре их плавления (по опытам Осмонда, от 1410° до 1500° Ц., при содержании углерода от 0,9 до 0%). Другое важное препятствие состояло в весьма большой усадке мягкой стали и литого железа (от 1,7 до 1,8%), какую имеют лишь жестчайшие из чугунов — зеркальные и белые. Наконец, немало вредила чистоте отливок большая склонность мягкой стали и литого железа к газопоглощению. Первый опыт плавки стали в тигле произведен был еще в 1760 г. Бенжаменом Гунтсманом, но затем в течение почти целого столетия процесс этот не выходил за пределы лабораторий. Первая значительная стальная отливка (колокол в 2 1/2 тонны весом) представлена была на Дюссельдорфскую выставку 1852 г. заводом Мейера и Кюне в Бохуме: ее пришлось разрезать на части и проковать последние для убеждения сомневающихся, что это не чугун. Еще большее впечатление произвела стальная Ф. отливка весом в 5 тонн, выставленная заводом Круппа на Парижской выставке 1855 г. В отливке участвовали 400 небольших тигельных горнов, маневрировавших по команде. Лондонская выставка 1862 г. впервые ознакомила технический мир с бессемеровским способом получения больших масс жидкой стали и с образцами отливок из этого нового металла, которые, однако же, оказались весьма несовершенными, так как тогдашний бессемеровский металл (усовершенствованный лишь гораздо позднее применением марганцовистых чугунов и кремнистых шпигелей) оказался для Ф. литья совершенно непригодным. Громадный толчок делу развития Ф. стального литья дало появление сталеплавильной мартеновской печи, которая и до сих пор остается употребительнейшим прибором для получения литого железа и стали для Ф. отливок. На Парижскую выставку 1867 г. представлено было уже много стальных отливок из мартеновского металла, по тогдашнему времени представлявших уже новое слово металлургической технике. С тех пор совершенствование этой отрасли техники пошло быстрыми шагами, и введение применения чугунов с одновременным содержанием больших количеств марганца и кремния дало возможность получать металл, пригодный для самых сложных отливок. Парижские выставки 1879 и 1889 гг. закрепили окончательно применение Ф. стального литья в машиностроении. Дальнейшим усовершенствованием было введение так называемого «малого бессемерования», т. е. небольших конверторов, дающих возможность применить Ф. стальное литье в небольших размерах, не прибегая к постройке громоздких мартеновских печей. Оставалось усовершенствовать способы формовки и изучить влияние отжига отливок как средства уничтожить в последних сильные внутренние напряжения, вызываемые большою усадкою стали. Обе эти задачи совместными усилиями заводов, специализовавшихся на Ф. литье стали (число которых в настоящее время уже весьма значительно), были выполнены с блестящим успехом, о чем свидетельствовала Парижская выставка 1900 г. В настоящее время производство фасонных стальных отливок становится мало-помалу побочною специальностью машиностроительных заводов, подобно чугунолитейному и бронзолитейному производствам, и, вероятно, в недалеком будущем все эти три родственные отрасли металлоплавильного дела сосредоточатся совместно в общем литейном цеху каждого крупного машиностроительного завода. Масса разнообразнейших предметов, изготовлявшихся до сего времени исключительно ковкою и обходившихся весьма дорого, отливается теперь из мягкой стали и железа и, выдерживая все требования, обходится значительно дешевле кованых. Таковы, напр., фориштевни, ахтерштевни, рулевые рамы и гребные винты для морских судов — до крупнейших включительно; сложнейшие распределительные камеры для водопроводных магистралей большого диаметра; колеса, буксы, паровые цилиндры, подбрюшники, тележные рамы, поршни, буксовые рамки, колосники и другие части паровозов; крестовины рельсовых путей; цилиндрические и конические зубчатые колеса; шатуны, кривошипы, коленчатые валы, крейцкопфы и цилиндры паровых машин; цилиндры, головы и поперечины гидравлических прессов; станины и валки прокатных станов; части динамо-машин; принадлежности мельничных и дробильных механизмов; якоря; крышки паровых цилиндров; кабестанные барабаны; днища паровых колпаков; зубчатые рельсы для горных железных дорог; лафеты; части клепальных машин; вагонные колеса; маховики и шкивы; части земледельческих машин; бесконечные винты и т. п. В общежитии и даже нередко в технике все отливки из ковкого углеродистого железа до сих пор носят огульное название «стальных отливок», между тем как огромное большинство таких отливок не обладают свойственною стали особенностью давать закал при охлаждении, взамен же сего отличаются высокою степенью вязкости, каковою сталь обладает лишь в ограниченной степени. На этом основании, если уже обобщать название таких отливок, правильнее было бы называть их «железными отливками». Резкой границы между сталью и железом, а потому и между отливками из этих металлов провести нельзя, тем более что современное состоянии техники сталелитейного дела дозволяет получать из одного и того же плавильного прибора металл весьма различных степеней вязкости, крепости, твердости и способности давать закал. За приблизительные пределы химических составов железных и стальных отливок можно принять следующие:
| В железн. отливках | В стальн. отливках | |
|---|---|---|
| Углерода | 0,15—0,5% | 0,5—1,5% |
| Кремния | 0,18—0,5% | 0,3—0,8% |
| Марганца | 0,32—1,0% | 0,5—1,0% |
Сообразно изменению химического состава изменяются и физические качества отливок. Применяя для отливок беднейшие углеродом сорта железа и подвергая готовые отливки тщательному отжигу, можно получать изделия, не уступающие по вязкости кованому и прокатному железу. Такие изделия оказывают сопротивление разрыву от 40 до 50 кгр. на кв. мм поперечного сечения при удлинении в 30 до 20% на 200 мм первоначальной длины образца и при уменьшении поперечного сечения в месте разрыва на 60 до 40%. Напротив того, применяя для переплавки наиболее углеродистые сорта железа и делая к ним соответствующие присадки, можно получать отливки, отличающиеся весьма большим сопротивлением разрыву, но, разумеется, при пониженной соответственно вязкости. В наиболее твердых стальных отливках сопротивление разрыву доходит до 70—80 кгр. на кв. мм поперечного сечения, но зато удлинение понижается иногда до 2—3%. Таким образом, сортимент изделий, могущих быть полученными отливкою из углеродистого железа, весьма разнообразен и может удовлетворить самым разнородным требованиям практики.
Древнейший прибор для плавки ковкого углеродистого железа есть «тигельный горн» (см. Литая сталь); но по причине не довольно высокой температуры, которая достигается в этого рода приборах, переплавке в них могут быть подвергаемы лишь наиболее углеродистые сорта железа, т. е. сталь и притом лишь те разновидности последней, которые по богатству содержания углерода приближаются к чугуну. Более энергический плавильный прибор представляет газорегенеративная тигельная печь (см. Литая сталь), развивающая более высокую температуру и дающая возможность переплавлять и менее углеродистые сорта стали. В тиглях или просто переплавляются куски стали, имеющей уже соответственный химический состав, или же потребного состава металл вырабатывается в них во время самой плавки соответственными химическими реакциями из надлежаще подобранной шихты и присадок. Первый способ требует материала наивысших качеств, а потому и дает весьма дорогой продукт, пригодный лишь для мелких изделий, имеющих высокую продажную стоимость. Второй способ более дешевый, так как дает возможность применять дешевый материал, сдабриваемый во время самой переплавки. Способ этот применяется для получения заурядного Ф. литья. Сырыми материалами в нем служат: чугун и железная и стальная мелочь. Последняя, будучи бедна углеродом, заимствует последний у чугуна, причем, зная химический состав этих материалов и регулируя их количества в шихте, можно получать сталь желаемой степени углеродистости. Для ослабления в расплавленном металле склонности поглощать газы (поглощенные газы служат источниками образования раковин и делают отливки неплотными, ноздреватыми) к шихте присаживаются марганец и кремний (первый — в виде бурого железняка и ферромангана, второй — в виде кремнистого, кремнемарганцовистого или обыкновенного серого чугунов) в количестве от 0,5 до 1% первого и от 0,2 до 0,6% второго. В новейшее время та же цель достигается присадкою алюминия (не свыше 0,1%) в виде чистого металла или алюминиевого чугуна. Отливки из тигельной стали отличаются высокою твердостью. Очертания их (благодаря жидкотекучести сильно углеродистой тигельной стали) правильны и резки. Химический состав довольно тесно ограничен, так как в тиглях можно расплавлять лишь сильно углеродистые сорта железа. Состав этот можно принять в пределах от 0,8 до 1,5% углерода, от 0,3 до 0,8% кремния и от 0,1 до 0, 6% марганца. Сопротивление разрыву от 35 до 55 кгр. на кв. мм при удлинении от 4% до 0%. Сфера применения таких отливок ограничивается случаями, когда от отливок требуется большая выносливость по отношению к действию истирающих сил. Таковы напр., вагонетные колеса (употребляемые в дело без бандажей), зубчатые колеса, жернова, путевые крестовины, храповые муфты, бесконечные винты и т. п. Следующий, несравненно более универсальный прибор для плавки углеродистого железа есть мартеновская печь (см. Литая сталь). В печах этого рода регулирование химического состава выпускаемого из них жидкого металла может производиться с большою точностью, что делает их пригодными для всевозможного Ф. литья. Стоимость мартеновского металла значительно ниже стоимости тигельного, но экономичное действие мартеновских печей возможно лишь при крупных их размерах и непрерывном действии, а потому применение их выгодно лишь для крупных заводов с большою годичною производительностью (печи с насадкою менее 5 тонн строить уже невыгодно). О сущности мартеновского способа получения стали и подробностях производства самой операции плавки см. Литая сталь. Средний химический состав отливок из мартеновского металла следующий: от 0,15% до 0,5% углерода; от 0,32% до 1,0% марганца и от 0,18% до 0,50% кремния. На механических испытаниях современные мартеновские отливки дают сопротивление разрыву от 42 до 70 кгр. на кв. мм поперечного сечения при удлинении от 28 до 15% и при уменьшении поперечного сечения образца в месте разрыва до 30%. Еще двадцать лет тому назад предъявление подобных требований к мартеновским отливкам было немыслимо, так как избыток в них кремния и неприменение отжига — лишали их должной вязкости и делали похожими по качествам на тигельные отливки. Производство Ф. литья из мартеновских печей — употребительнейший в настоящее время способ получения стальных и железных отливок, коим производится более 3/4 всего их количества. Желание сделать Ф. отливку стали и железа доступною и небольшим заводам породило изобретение так называемых "малых конверторов". Устройство их обходится значительно дешевле бессемеровских конверторов и мартеновских печей, а между тем процесс плавки поддается столь же точному регулированию, как и в упомянутых приборах, благодаря чему в них можно получить всю гамму жидкого углеродистого железа, от самых твердых до самых мягких его сортов; но обыкновенно для Ф. литья из малых конверторов придерживаются средней степени твердости металла, характеризуемой сопротивлением разрыву около 55 кгр. на кв. мм при удлинении в 25%. Жидкотекучесть металла из малых конверторов настолько велика, что его можно выливать даже в формы из тощего песка, не боясь их охлаждающего действия на металл. Средний химический состав такого металла: 0,25% углерода, 0,14% кремния и до 1% марганца. Стоимость конверторных отливок выше стоимости мартеновских, но ниже стоимости тигельных. Полное устройство состоит из конвертора, вагранки (доставляющей жидкий металл), тигельного горна (для плавки присадок), воздуходувной машины с двигателем (дутье требуется упругостью в 25—35 стм ртутного столба), вентилятора (для вагранки и тигельного горна), воздушного регулятора, колошникового помоста с механическим подъемом, приводов и проч. Употребительнейшие конверторы суть конверторы Робера и Тропенаса (последний применен и на нескольких русских заводах).